4.5. Равновесия в буферных растворах

Буферныерастворы – растворы, способные поддерживать определенное значение рН при разбавлении, а также при добавлении некоторых количеств сильной кислоты или щелочи. Буферное действие основано на связывании добавляемых ионов Н⁺или ОН^в молекулы малодиссоциированных соединений.

Различают следующие типы буферных растворов:

 Смесь слабой кислоты и ее соли (например, уксусная кислота СН₃СООН + ацетат натрияNaCH₃COO). При добавлении сильной кислоты к этому раствору анионы соли связывают ионы Н⁺в молекулы малодиссоциированной уксусной кислоты:

СН₃СОО^+ Н⁺СН₃СООН.

При добавлении щелочи протекает реакция нейтрализации:

СН₃СООН + ОН^СН₃СОО^+ Н₂О

и раствор имеет

,

где pK_d– показатель константы диссоциации слабой кислоты,pK_d= –lgK_d;С_сиС_к– концентрации соли и килоты соответственно, моль/л.

 Смесь средней и кислой соли или двух кислых солей слабой многоосновной кислоты (например, Na₂CO₃+NaHCO₃илиNa₂HPO₄ + NaH₂PO₄). Анионы кислой соли реагируют подобно слабой кислоте:

, (4.22)

где С_сиС_к– концентрации кислой и средней соли соответственно, моль/л.

 Кислые соли слабых многоосновных кислот, при добавлении к растворам которых сильных кислот или щелочей, протекают аналогичные реакции:

НСО₃^+ Н⁺Н₂СО₃;

НСО₃^+ ОН^СО₃^+ Н₂О;

,

где pK_n– показатель константы диссоциации кислоты по соответствующей ступени.

 Смесь слабого основания и его соли (например, NH₄OH+ +NH₄Cl). Буферное действие основано на реакциях

NH₄OH + H⁺  NH₄⁺ + H₂O;

NH₄⁺ + OH^  NH₄OH.

Показатель

,

где pK_d– показатель константы диссоциации слабого основания;С_сиС_осн– концентрации соли и основания соответственно, моль/л.

 Соли слабых кислот и слабых оснований (например, NH₄CH₃COO). Буферное действие обусловлено реакциями

NH₄⁺ + OH^  NH₄OH;

CH₃COO^ + H⁺  CH₃COOH.

Емкостью буферного раствора В называют количество сильной кислоты или щелочи, которое требуется добавить к 1 л раствора для изменения его рН на единицу. Раствор утрачивает буферные свойства при добавлении сильной кислоты или щелочи в количестве, превышающем буферную емкость. Различают буферную емкость раствора по кислоте и по щелочи.

Емкость кислого буфера по щелочи вычисляют по уравнению

.

Таким образом,

(4.23)

Из уравнения

вычислим емкость кислого буфера по кислоте

. (4.24)

Емкости основного буфера по кислоте и по щелочи соответственно

.

Отношение С_с/С_килиС_с/С_оснвыбирают в пределах 0,1С_с/С_к10. По таблицам констант диссоциации (см. прил.1) подбирают слабую кислоту сpK_d = pH (или слабое основание сpK_d=pOH). Исходя из заданного рН вычисляют отношение концентрацийС_с/С_к(илиС_с/С_осн).

Пример 22.Вычислить изменение рН ацетатного буферного раствора, содержащего по 1 моль/л кислоты и соли, после добавления к 1 л раствора 0,1 моль соляной кислоты.

Решение. Вычислим рН данного буферного раствора по формуле (4.22):

После добавления к буферному раствору соляной кислоты концентрация ацетата натрия уменьшится, а концентрация уксусной кислоты увеличится на 0,1 моль/л вследствие протекания реакции

CH₃COONa + HCl  CH₃COOH + NaCl.

Вычислив для нового раствора

найдем ΔрН = 4,75 4,66 = 0,09.

Пример 23. К 0,8 л 0,5 М раствора НСООН (K_d = 1,810^4) добавили 0,2 л 0,4 М раствора NaOH. Вычислить рН образовавшегося формиатного буфера и его буферную емкость по кислоте и щелочи.

Решение. Количество вещества НСООН и NaOH соответственно

Объем буферного раствора

Количество вещества формиата натрия, образующегося по реакции NaOH + HCOOH  HCOONa + H₂O, моль. Молярная концентрация формиата натрия в буферном растворе

моль/л.

Остаточное количество вещества муравьиной кислоты

.

Ее молярная концентрация в буферном растворе

моль/л.

Буферный раствор имеет

Буферная емкость по кислоте согласно уравнению (4.24)

Буферную емкость по щелочи определим при помощи уравнения (4.23):

Пример 24. Сколько граммов твердого формиата натрияHCOONaнадо добавить к 100 мл 0,2 М раствора соляной кислоты, чтобы получить буферный раствор с рН = 4,3?

Решение. При добавлении к раствору соляной кислоты формиата натрия образуется муравьиная кислота по реакцииHCOONa+HClHCOOH+NaCl. Ее концентрация

С(HCOOH) =С(HCl) = 0,2 моль/л.

Для образования формиатного буферного раствора необходима определенная концентрация формиата натрия, которую найдем исходя из формулы (4.22):

,

откуда моль/л.

Количество вещества формиата натрия, необходимого для получения данного буферного раствора,

моль,

его масса

г.

Задание XV. Решить задачи.

684. К 200 мл 0,5 н. раствора уксусной кислоты добавили 10 мл 0,8 н. раствора едкого натра. Определить рН полученного раствора.

685. Какой объем 20-процентного раствора уксусной кислоты плотностью 1,026 г/см³следует прилить к 1 л 0,075 н. раствора ацетата натрия, чтобы получить буферный раствор с рН = 2,75?

686. Рассчитать рН раствора, содержащего 1,5 моль/л ацетата натрия и 0,75 моль/л уксусной кислоты. Как изменится величина рН при добавлении к 50 мл этого раствора 1 мл 2 н. раствора едкого натра?

687. Сколько граммов безводного бензойнокислого натрия необходимо прибавить к 100 мл 0,02 моль/л раствора бензойной кислоты С₆Н₅СООН, чтобы получить буферный раствор с рН = 5?

688. К 25 мл 2-процентного раствора гидроксида аммония плотностью 0,99 г/см³добавили 1,5 г хлорида аммония. Определить рН полученного раствора, если его плотность равна 1,01 г/см³.

689. Как изменится рН в 0,1 н. растворе уксусной кислоты после добавления к нему кристаллического ацетата натрия до концентрации 0,1 моль/л?

690. Как изменится рН раствора, полученного смешиванием 100 мл 5-процентного раствора муравьиной кислоты плотностью 1,008 г/см³ и 100 мл 7-процентного раствора формиата калия плотностью 1,01 г/см³, если к нему прилить 50 мл 0,2 н. раствора едкого калия?

691. Какой объем 20-процентного раствора фосфорной кислоты (плотность 1,113 г/мл) надо добавить к 2 л раствора едкого кали с концентрацией 0,2 моль/л для получения буферного раствора с рН = 6?

692. Как изменится рН раствора, содержащего в 200 мл 2,14 г хлорида аммония и 2,1 г гидроксида аммония, в результате добавления к нему 10 мл 2 н. раствора соляной кислоты?

693. Какой объем раствора гидроксида бария концентрацией 0,5 моль/л следует добавить к 1,5 л 5-процентного раствора уксусной кислоты плотностью 1,006 г/см³, чтобы получить буферный раствор с рН = 4?

694. Рассчитать рН раствора, полученного смешиванием 10 м³2-процентного раствора едкого натра (плотность 1,021 г/см³) и 15 м³5-процентного раствора фосфорной кислоты (плотность 1,026 г/см³).

695. Какой объем 20-процентной серной кислоты (плотность 1,139 г/мл) необходимо добавить к 5 л раствора этиламина с концентрацией 0,02 моль/л для получения буферного раствора с рН = 9,8?

696. К 5 л 5-процентного раствора гидроксида аммония плотностью 0,986 г/мл добавили 10 л 3-процентного раствора серной кислоты плотностью 1,019 г/мл. Определить рН полученного раствора.

697. Определить рН борно-натриевого буферного раствора (концентрация Н₃ВО₃иNaH₂BO₃15 и 10 % соответственно, средняя плотность раствора 1,12 г/см³).

698. Рассчитать рН раствора, полученного путем поглощения 20 л углекислого газа 6 л раствора едкого натра с концентрацией 0,1 моль/л. Процесс вели при температуре 25 °С и давлении 1 атм.

699. Определить рН фосфорно-натриевого буфера, если в 1 л раствора содержится 19,6 г фосфорной кислоты и 30 г дигидрофосфата натрия.

700. Объем хлористого водорода, равный 5 м³, был измерен при температуре 100 °С и давлении 1,5 атм. Определить рН раствора, полученного в результате поглощения этого газа 5 м³раствора гидроксида аммония с концентрацией 0,1 моль/л.

701. Рассчитать рН раствора, в 1 л которого содержится 12,5 г ацетата натрия и 17,5 г уксусной кислоты.

702. Какой объем аммиака должен быть поглощен при 25 °С и давлении 1 атм 2-процентным раствором серной кислоты плотностью 1,012 г/мл в количестве 300 мл, чтобы полученный раствор имел рН = 10?

703. Каков рН аммиачно-хлоридного буфера, содержащего в 1 л 70 г гидроксида аммония и 26,7 г хлорида аммония?

704. Какой объем раствора аммиака (концентрация 4,27 %, плотность 0,98 г/см³) надо добавить к 200 мл 0,1 н. раствора соляной кислоты, чтобы получить буферный раствор с рН = 8,24?

705. Рассчитать рН смеси карбоната и гидрокарбоната калия с концентрацией по 0,02 моль/л.

706. Какой объем раствора уксусной кислоты (концентрация 6 %, плотность 1,007 г/см³) следует долить к 100 мл раствора едкого натра (концентрация 0,6 %, плотность 1,005 г/см³), чтобы получить буферный раствор с рН = 4,18?

707. Рассчитать рН раствора дигидрофосфата натрия с концентрацией 1 моль/л.

708. Сколько граммов гипобромита натрия NaBrOследует добавить к 10 л 0,5 н. раствора бромноватистой кислоты, константа диссоциации которой равна 2,06×10^-9, чтобы получить буферный раствор с рН = 6,74?

709. Рассчитать рН раствора гидросульфида калия с концентрацией 1 моль/л.

710. Какой объем аммиака должен быть поглощен при 25 °С и давлении 1 атм 2-процентным раствором соляной кислоты (плотность 1,008 г/см³) в количестве 300 мл, чтобы полученный раствор имел значение рН = 10?

711. Каково значение рН аммиачно-хлоридного буфера, содержащего в 1 л 70 г гидроксида аммония и 26,7 г хлорида аммония?

712. Как изменится рН СН₃СООН в 0,2 М растворе, если к 100 мл этого раствора прибавили 30 мл 0,3 М раствора ацетата натрия?

713. Рассчитать рН полученного раствора, если к 100 мл 0,0375 М СН₃СООН прибавили 0,102 гCH₃COONa.

714. Вычислить рН раствора, полученного смешиванием 25 мл 0,2 М СН₃СООН и 15 мл 0,1 МCH₃COONa.

715. Вычислить рН полученного раствора, если в 1 л воды содержится 60,05 г СН₃СООН и 82,03 гCH₃COONa.

716. Вычислить рН раствора, если к 2 л воды прибавили 23 г НСООН и 21 г НСООК.

717. Вычислить рН раствора, полученного смешиванием 15 мл 0,1 М НСООН и 12 мл 0,2 М HCOONa.

718. Какой объем 0,2 М NaOHнадо прибавить к 40 мл 0,1 М раствора лимонной кислоты, чтобы получить раствор с рН = 3,0?

719. Какой объем раствора NaOH(концентрация 0,4 %) надо прибавить к 23 мл 0,2 М раствора ортофосфорной кислоты, чтобы получить раствор с рН = 2,3?

720. Какую массу гидроксида натрия надо растворить в 100 мл 0,1 М раствора гидрокарбоната натрия, чтобы получить раствор с рН = 10?

721. Какую массу гидрокарбоната натрия надо растворить в 30 мл раствора гидроксида натрия (концентрация 1 %), чтобы получить раствор с рН = 10,0?

722. Как изменится рН 1-процентного раствора НСООН, если к 230 мл этого раствора прибавить 540 мл раствора НСООKконцентрацией 0,5 %?

723. Сколько миллилитров 0,2 М HClнадо добавить к 50 мл 0,1 МNa₂CO₃, чтобы получить раствор с рН = 10,5?